一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法
【专利摘要】本发明公开了一种高分子新材料的制备方法，特别是一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法。采用高分子薄膜作为原料，在高分子薄膜表面喷涂、化学气相沉积或者电沉积催化剂，然后在高分子薄膜之间夹入石墨纸；将间隔有石墨纸交叉层叠后的高分子薄膜再经过碳化、石墨化过程得到人工高导热石墨散热膜。由于催化剂的作用，能大大降低石墨化温度，缩短石墨化时间，实现节能降耗，降低生产制造成本，对大规模生产具有重要的作用。
【专利说明】一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高导热新材料的制备工艺，特别是一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法。
技术背景
[0002]随着微电子工业的高速发展，电子产品、LED等不断向大功率方向发展，集成电路日趋高速化、高密度化，会出现越来越多的发热问题，使产品功率降低，寿命缩短，降低其可靠性。
[0003]目前，各种各样的散热材料已经广泛使用。例如金属材料具有良好的导热性能，如铜、铝等，利用这些金属制成的散热器得到普遍应用。但是金属重量大，不耐腐蚀，且发生氧化后其散热性能会大大降低。同时，近年来有搭载半导体元件等发热器件的各种设备的小型化，且该部件的发热量增大的倾向，使用金属作为散热材料的部件的空间受到限制。
[0004]人工石墨膜是由碳形成层状结构、其面内导热率非常高，且密度轻到1.0-2.0g/cm3左右，能够迅速扩散发热部位产生的热量以降低设备温度，作为薄膜还具有柔软性的特征，因此一直被期待作为狭窄的场所或者需要穿过缝隙做处理的场所的导热器材料或散热器材料。目前，人工石墨膜的制备过程主要有碳化和石墨化两个工艺过程。但由于制备所需的热处理温度较高，尤其是石墨化过程，对应高温能耗大，高温设备寿命短造成了其生产成本偏高，为此人们研究了多种改进方法，如优化石墨化炉结构，石墨发热体抗氧化涂层，选择最佳升温、降温速率和张力比，改进石墨化气氛，在原来的惰性气氛(氩气、氮气)中添加CCl4，防止生成金属碳化物、氮化物，以延长石墨化炉管寿命等，但最有效的方法还是采用催化剂进行催化石墨化以降低石墨化的温度，延长石墨化炉的使用寿命。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法。
[0006]本发明的技术解决方案是，采用高分子薄膜作为原料，在高分子薄膜表面喷涂、化学气相沉积或者电沉积催化剂，然后在高分子薄膜之间夹入石墨纸；将间隔有石墨纸交叉层叠后的高分子薄膜再经过碳化、石墨化过程得到人工高导热石墨散热膜。具体制备工艺步骤如下:
(1)选择高分子薄膜材料做为原料，高分子薄膜表面喷涂、化学气相沉积或电沉积催化剂，在一定片数的高分子薄膜之间，间隔式插入石墨纸，交叉堆叠，最后放置于石墨舟皿中；
(2)将碳化炉先抽真空至5?IOPa以内，再将盛有原料的石墨舟皿放入碳化炉中在一定的时间内升温至碳化温度，进行碳化；
(3)将碳化完的材料移至石墨化炉中在一定的时间内升温至石墨化温度，并对材料施加一定的外界压力，石墨化在惰性气氛中进行。[0007]其中所述高分子薄膜材料为聚噁二唑、聚酰亚胺、聚亚苯基亚乙烯基、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚噻唑或聚酰胺的一种，进而优选聚酰亚胺，其厚度为15μπι?ΙΟΟμπι。
[0008]所述石墨纸的厚度为2?5mm。
[0009]所述高分子薄膜层叠片数一般在I?60片范围内为佳。
[0010]所述催化剂是硼酸、氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铁、碳酸钙、氯化铜中的一种或几种混合物；催化剂的加入量为0.1-3%，优选值为0.5-1.5%。
[0011]所述碳化时间，在2?10h，进而优选为5h。
[0012]所述碳化温度，在800?1200°C，进而优选为1000°C。
[0013]所述石墨化时间，在2?12h，进而优选为8h。
[0014]所述石墨化温度，在2000-2800°C V，进而优选为2400°C。
[0015]所述石墨化时所施加的外界压力，一般在10?50g/cm2内为佳。
[0016]所述惰性气氛为氩气、氮气或氦气两者中的一种或几种混合物。
[0017]本发明与现有技术相比，所具备的优点是，工艺方法简单易行，加入催化剂可以大大降低石墨化的温度，缩短石墨化时间，能显著降低高温过程对石墨化炉寿命的影响，降低生产成本；同时石墨化时对膜施加的外界压力有助于消除导热膜的褶皱以及其他缺陷，在保证高散热性的同时，其气泡程度以及泡畴尺寸良好，耐弯曲性能优异，满足了电子电器等产品的薄而轻的需求。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
以聚酰亚胺为原料膜，厚度为35 μ m,在聚酰亚胺膜表面喷涂氮化硼，加入量为0.5%，石墨纸厚度为3_，将聚酰亚胺薄膜与石墨纸剪裁成一定的规格备用，在两片石墨纸之间放入5片聚酰亚胺原料膜,交叉堆叠,最后放置于石墨舟皿中。碳化炉抽真空至5?IOPa以内，将盛有原料膜的石墨舟皿放入碳化炉中进行碳化，碳化温度为1000°C，时间为6h，然后将碳化后的材料移至石墨化炉中，并对材料施加20 g/cm2的压力，石墨化温度为2400°C，时间7h，石墨化过程在氮气气氛下进行。经测量最后得到人工石墨散热膜的导热系数为1600ff/m.K，经20000次折弯不破裂。
[0019]实施例2
以聚苯并噁唑为原料膜，厚度为50 μ m，在聚苯并噁唑膜表面化学气相沉积氧化铁，加入量为1.5%，石墨纸厚度为4mm，将聚苯并噁唑薄膜与石墨纸剪裁成一定的规格备用，在两片石墨纸之间放入20片聚苯并噁唑原料膜，交叉堆叠，最后放置于石墨舟皿中。碳化炉抽真空至5?IOPa以内，将盛有原料膜的石墨舟皿放入碳化炉中进行碳化，碳化温度为900°C,时间为8h,然后将碳化后的材料移至石墨化炉中，并对材料施加30 g/cm2的压力，石墨化温度为2200°C，时间8h，石墨化过程在氩气气氛下进行。经测量最后得到人工石墨散热膜的导热系数为1800 ff/m.K，经20000次折弯不破裂。
[0020]实施例3
以聚酰胺为原料膜，厚度为25 μ m,在聚酰胺表面电沉积氯化铜，加入量为3%，石墨纸厚度为5mm,将聚酰胺薄膜与石墨纸剪裁成一定的规格备用，在两片石墨纸之间放入40片聚酰胺原料膜，交叉堆叠，最后放置于石墨舟皿中。碳化炉抽真空至5?IOPa以内，将盛有原料膜的石墨舟皿放入碳化炉中进行碳化，碳化温度为1000°c，时间为5h，然后将碳化后的材料移至石墨化炉中，并对材料施加10 g/cm2的压力，石墨化温度为2600°C,时间9h,石墨化过程在氦气气氛下进行。经测量最后得到人工石墨散热膜的导热系数为1750 ff/m -K,经20000次折弯不破裂。
【权利要求】
1.一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法，其特征在于:采用高分子薄膜作为原料，在高分子薄膜表面喷涂、化学气相沉积或者电沉积催化剂，然后在高分子薄膜之间夹入石墨纸；将间隔有石墨纸交叉层叠后的高分子薄膜再经过碳化、石墨化工艺得到人工石墨散热膜。
2.根据权利要求1所述的一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法，其特征在于:所述的高分子薄膜是聚噁二唑、聚酰亚胺、聚亚苯基亚乙烯基、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚噻唑或聚酰胺中的一种；其厚度为15 μ m~100 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法，其特征在于:石墨纸的厚度为2~5mm,高分子薄膜叠片数为I~60片。
4.根据权利要求1所述的一种利用催化石墨化工艺制备人工散热膜的方法，其特征在于:催化剂是硼酸、氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铁、碳酸钙、氯化铜中的一种或几种混合物；催化剂的加入量为0.1-3%，优选值为0.5-1.5%。
5.根据权利要求1所述的一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法，其特征在于:碳化时温度为800-1200°C，时间为2~10h，优选温度和时间分别为1000°C和5h ；碳化在真空环境下进行，真空为5~IOPa以内。
6.根据权利要求1所述的一种利用催化石墨化工艺制备人工石墨散热膜的方法，其特征在于:石墨化温度为2000-2800°C，时间为2-12h，优选温度和时间分别为2400°C和8h ；石墨化在惰性气氛下进行，惰性气氛为氮气、氩气或者氦气中的一种、或者几种混合物，石墨化时所施加的外界压力 为10~50g/cm2。
【文档编号】H05K7/20GK103906416SQ201410144331
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】杨晓伟, 蔡铜祥, 徐德善 申请人:江苏悦达新材料科技有限公司